青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅲ):参数化方案

以物理过程分析为基础,根据野外实测资料设计了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式中的大气辐射参数化方案,对直接太阳辐射、大气散射辐射、大气向下长波辐射参数进行处理,得到了较好的结果.在无云大气条件下,对直接太阳辐射透过率和大气散射辐射以太阳天顶角进行参数化;对大气向下长波辐射以大气等效辐射率及气温进行参数化;在云天条件下,基于晴阴比的云量参数化和基于气候资料的云天系数参数化都各有较好的效果.对土壤热通量的参数化方法和拖曳系数的取值问题进行了讨论,更完善的方法还有待于与实验测量工作相结合.     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

边界层参数化影响“梅花”台风的敏感性试验

以GRAPES-TCM为试验模式,对1109台风“梅花”进行了36次72 h的预报试验,通过试验分析了2种边界层参数化方案——MRF方案与YSU方案在不同情况下对台风预报的影响.结果显示:“梅花”路径与强度对边界层方案的变化都表现出一定的敏感性,敏感性大小与对流参数化方案、台风的初始强度等因素有关,强度的敏感性比路径更明显;对弱台风的路径与强度,YSU方案的总体预报效果优于MRF方案,对于强台风,2种边界层方案中MRF方案的路径预报效果更好,哪种方案的强度预报效果更好与对流参数化方案有关;无论何种情况,YSU方案预报的“梅花”强度都明显强于MRF方案,YSU方案预报的降水及感热通量与潜热通量总体上大于MRF方案;YSU方案时更多的感热通量和潜热通量与该方案时边界层更强的湍流混合有关,更多的潜热通量导致更多的降水,从而释放更多的潜热,更多的潜热释放以及更多的感热通量导致台风强度更强.     

冰川/积雪-大气相互作用研究进展

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分,在全球或区域气候系统中起着极其重要的作用.开展冰川/积雪-大气相互作用研究,是研究冰冻圈物理过程及其对气候系统反馈作用的必然需求,也是研究冰川/积雪对气候变化响应的有效手段,同时还可为全球(区域)气候和水文模式提供冰川/积雪面的地表特征参数.近一个世纪以来,在冰川/积雪面辐射特征、能量通量计算方法和平衡特征等方面开展了许多观测试验和理论研究,并取得了卓有成效的研究结果.但是在准确获取辐射通量、研发普适性较强的反照率参数化方案、复杂地形条件下能量通量的计算,以及发展分布式能量平衡模式等方面尚存在许多不确定性,仍面临许多技术难点,也是未来的研究重点.     

海-气间化学物质交换通量的研究

从以下几个方面简要分析了海—气间化学物质交换通量的参数化研究情况：如果不考虑物质间的化学反应,经典的通量—梯度关系（Ｋ理论）可用于估计从大气进入海表面的物质通量。在有化学反应的情形下,应根据化学反应速度与湍流交换速度的相对大小对Ｋ理论做修正;已知海表面的物质浓度和物质的沉降速度,可由二者的乘积来估计通量的大小。降水对大气中物质的清除作用是很大的,如何对降水的物理过程进行参数化,直接影响到对湿沉降通量的估计;计算海—气间气体交换通量的一种方法是利用界面两侧的分压差和气体转移系数。这两个参数都可能造成通量估计的不确定性。     

次网格积雪参数化在祁连山区斑状积雪带模拟中的应用

运用中尺度大气模式MM5,积雪参数化分别采用简单的积雪参数化方案以及考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案,对黑河流域上游祁连站附近气温和降水进行模拟,与祁连站的观测值对比,检验积雪参数化方案中次网格积雪分布和雪密度变化在该地区气温和降水模拟中的作用.结果表明:简单积雪方案对网格积雪的非0即1描述在斑状积雪带是不合理的,尤其在黑河流域海拔3 300 m以下积雪多为斑状或片状,网格内积雪非均匀性的处理是非常必要的;通过耦合简单和复杂积雪方案的大气模式对气温模拟和观测值比较发现,新方案模拟的气温比旧方案模拟值更接近观测值,在气温低于0℃时改进尤其明显,说明使用复杂积雪/融雪方案可改进斑状积雪带气温的模拟.耦合复杂积雪方案的大气模式模拟的降水与观测值绝对误差低于耦合简单积雪方案模拟结果,复杂积雪方案的模拟结果降水错报率为使用简单积雪方案结果的一半,证明了耦合复杂积雪方案可以提高大气模式对该地区春季降水模拟的准确性.与积雪面积变化相对应,耦合复杂积雪方案模拟出了融雪产流量,而使用简单积雪方案则没有模拟出来.综上所述,耦合考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案比耦合“非0即1”积雪方案可以更准确地模拟祁连山区冬、春季气温和降水.     

新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展

随着中尺度大气模式的不断发展,新一代中尺度天气研究和预报模式WRF因其完全开放、可移植性强、更新快等特点在国内外得到了广泛应用。从物理参数化方案研究,实时个例模拟研究及与中尺度大气模式MM5的对比研究3个方面介绍近10年来WRF模式在国内的发展和应用概况,阐明WRF模式在中尺度模拟中的普适性和优越性,展望WRF模式在国...     

中层大气模式的应用及发展前景

随着空间探测技术和计算机能力的不断提高,近年来中层大气模式得到了快速的发展。简要概述了中层大气模式的现状及其发展中存在的问题和挑战,同时也阐述了中层大气模式在近年来研究中的一些主要应用和未来的发展前景。目前,完备的基于大气环流模式的中层大气模式大多只包括了对流层和平流层大气,少量的模式可达到中间层和热层大气。这些现有的中层大气模式对平流层的化学过程和一些动力过程都具有了一定的模拟能力,如能较好地模拟出南极臭氧空洞及其时间演变以及热带平流层大气中的准两年和准半年振荡信号。但是不同模式模拟结果之间的差异仍然是显著的,现有的中层大气模式还需要进一步的发展和完善。改进模式的辐射传输方案和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合,改善平流层以上的大气化学过程和物理过程在模式中的描述是目前正在进行的工作。中层大气模式目前已开始被广泛应用于大气科学研究的各个方面,进一步发展和完善中层大气模式不仅对天气、气候预报具有重要的意义,对空间科学的研究来讲也是需要的。     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

数值天气预报模式物理过程参数化方案的研究进展

数值天气预报模式对天气过程发展的物理描述主要通过物理过程参数化实现,因此,物理过程参数化方案的发展一直是国际研究热点,也是数值模式改进的难点。在阐述对流、云微物理和边界层等主要物理参数化方案的理论基础和发展历史的基础上,指出在高分辨率模式网格条件下的物理过程参数化方案改进将是未来数值模式发展的核心问题。随着高性能计算能力的迅速发展,目前业务模式网格距已逐渐精细到小于10 km,但模式所使用的物理过程参数化方案大多并未针对高分辨率网格设计,其理论假设的适用性值得商榷。根据目前国际研究趋势,探讨了今后物理过程参数化方案研究改进的重点方向。     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

遥感技术应用于地表面蒸散发的研究进展

蒸散既是地表水分循环的重要组成部分,也是能量平衡的主要项。地表热量、水分收支状况在很大程度上决定着地理环境的组成和演变,清楚地认识蒸散发,对了解大范围内能量平衡和水分循环具有重要意义。目前,已发展了从 传统方法、模拟方法到遥感方法的很多种方法用于估算蒸散发。遥感方法以其能够获知大范围地表特征信息的优势为较准确估算地表蒸散发提供了可能,从而受到人们的日益重视。介绍了研究蒸散发的各种方法,并探讨了利用遥感方法研究蒸散发的优缺点和未来的发展前景。     

陆面过程中植被的描述及其卫星遥感反演——从定性描述向定量描述的发展

植被在陆面参数化方案（Land Surface Parameterizations, LSPs）中的描述经历着从定性描述向定量描述发展的过程。这一方面是由于陆面过程研究的深入,另一方面则得益于地表植被信息获取方式的进步,尤其是卫星遥感技术的发展。对三代LSPs中的植被描述做了简要概述,并介绍了卫星遥感在植被参数反演上的发展和应用情况。其中包括：①定性描述,主要指地表覆盖类型的描述方式;②部分参数定量描述,指SiB2等模式中对LAI等时空变化较大的少数参数由卫星资料直接反演的赋值方式;③植被特征连续分布（VCF）定量描述,一种完全定量的描述方式。     

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

遥感反演的地表温度(Ts)和植被指数(VI)构成的特征空间结合模型分析可以对显热通量、潜热通量及土壤含水量等地表参数进行估算.这种方法比较实用,且不过多地依赖地面观测数据.随着研究的深入,许多学者在Ts/VI特征空间基础上提出了更加丰富的空间变量.基于此,以不同空间变量为标准,分类介绍在Ts/VI特征空间的基础上对地表能量通量及土壤水分等参数的反演.其中包括在Ts/NDVI特征空间基础上提出温度植被干旱指数和条件植被温度指数来监测干旱;利用Ts/albedo特征空间反演蒸发比;用DSTV/VI特征空间反演蒸散量;用地气温差/植被指数特征空间反演蒸散量等.并介绍了Ts/VI特征空间与微波遥感结合反演地表含水量等相关研究的进展情况,最后提出未来研究的发展方向.     

大孔径闪烁仪研究区域地表通量的进展

地表湍流通量包括感热通量和潜热通量的准确测定对天气气候、农业、水文和水资源管理等意义重大。在几公里到几十公里尺度上有代表性的区域湍流通量的观测研究,特别在非均匀下垫面情况下,仍然非常困难。近年来蓬勃发展的大孔径闪烁仪（LAS）为这一问题的解决提供了全新手段。在介绍大孔径闪烁仪原理的基础上,综述了国内外利用大孔径闪烁仪开展区域地表通量观测研究的进展,包括在不同地表的LAS测量与涡动相关方法有关结果的对比,影响测量精度的关键因子分析,以及在区域地表通量遥感估算模型检验中的应用等,最后对大孔径闪烁仪的应用前景进行了展望。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

气候变化对陆地水循环影响研究的问题

简要地回顾了现存的由气候情景驱动水文模型研究气候变化对陆地水循环影响的方法。指出这种单向连接方法很难将气候变暖及人类活动引起的陆地水循环变化反馈给大气。这既影响对降雨的预测精度,又不能正确地描写陆地水循环的变化。近10年来气候学家对大气环流模型中陆面过程模型的改进以及水文气候学家对大尺度水文模型研究所取得的进展,展现了它们之间的互补性,以及未来用水文-气候耦合模型方法研究气候变化与人类活动对陆地水循环影响及水资源预测的可能性。     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

Impacts of Human Water Use on the Large-scale Terrestrial Water Cycle

Along with the increase of population and extraordinary economic and social development, human appropriation of freshwater supply increases rapidly. Anthropogenic activities have become an important driving factor of the large-scale terrestrial water cycle. The hydrological effects of human water use have attracted growing attention. In this paper, we briefly reviewed the recent studies addressing the anthropogenic disturbance of the large-scale terrestrial water cycle. The review focused on the direct alteration of the water cycle for human needs, with special coverage for the primary aspects of human water use such as irrigation, domestic and industrial water use, reservoir regulation and groundwater mining. The state-of-the-art parameterization schemes of human water use for macroscale land surface hydrological modeling were introduced and the limitations of the schemes were discussed. Considering the impacts of human water use on the terrestrial water cycle is currently a challenge for macroscale land surface hydrological modeling, which hinders the use of the models in assessing water resources under changing environment. Further studies are needed to understand the interactions between human and water systems, to develop integrated assessment model of coupled human-water systems, and to assess regional and global water security.